最新水声多径信道研究

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1 水声信道的多途特性
➢ 多径衰落-振幅 ➢ 多普勒频展-频域 ➢ 时延扩展-时域
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水声信道多途特性
多径衰落 振幅统计特性
多普勒频展 频域特性
时延扩展 时域特性
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多径衰落 ➢ 多径衰落—多途接收信号的振幅统计特性
水声信道中，在一个信道码元的持续时间内，接收端会接收到由不同 路径到达的该码元的多个信号复本，这些信号复本的延时或者相位是随机 的，合成的结果就会造成在该码元持续时间内，接收信号的幅度随机起伏， 这种由于多途传播而引起的一个码元时间内的接收信号幅度的随机起伏称 为多径衰落。在浅海域大深度衰落是频发性的，时常衰到小至无法检测。
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几种海况下的多径现象
海洋深度、传播路径长度、发射机和接收机的深度等因素的存在， 导致了水声多径传播的具体情况也是多种多样的。 ➢ 近距离(<1km)信道
近距离信道包括深海垂直信道和近距离水平信道。在这种情况下， 接收信号一般是由直接路径、海面反射产生的路径（有时候也会有由 海底所引发的路径）所传播来的信号的叠加。在这类信道中，信号的 幅度和相位变化相对地较轻微，一些针对电话信道所开发的信号调制 方法和信道均衡技术也是适用于此类信道的。
① 传输媒质固有的时变性，如海面风浪和海中湍流，其中海面风浪是主 要因素，并且随着海风风级的增强而增大。
B d0.01(f7 /C 5 )W 3/2co s
W：风速；θ：信号在表面反射时的随机入射角度；f：发射载波频率； C：海水中的声速。 ② 发射-接收端的相对移动。
Bd(V/C)f
V：系统的移动速度；C：海水中的声速；f：发射载波频率。
✓ 快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道， Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道 是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而 引起基带脉冲波形的失真。 ✓ 如果Tcoh>Ts，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持 续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。
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几种海况下的多径现象
➢ 远距离(20~2000km)信道 由于水声信道的带宽受限，作用于远距离信道的水声通信系统的
频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多 径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外， 由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信 系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。
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多普勒频展
浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。 对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的 影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即Bw>>Bd ， 则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多 普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码 元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。
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水深ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水声信道的多径传播模型
声速
发射
接收
发射
a
b
(a)深海； (b)浅海
接收
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多径的组成
多径一般分为宏观多径( macro-multipath)和微观多径 (micro-multipath)
➢ 宏观多径一般由海面、海底的单次或多次反射形成的，可以导致 信号的强烈起伏(fluctuation)以及大的码间干扰(Inter Symbol Interference, ISI)。 ➢ 微观多径一般是由于信道中水团的不均匀性，使得声路径弯曲而 折射形成，也可以导致信号的起伏。
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多普勒频展
多普勒频展的倒数定义为信道相干时间： Tco h1/Bd
相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由 于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，换句 话说，就是信道在时域具有选择性。
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多普勒频展
时间选择性衰落
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多普勒频展 信道的时变特性可分为两类：快衰落和慢衰落。
声波在多途信道传播时由于多普勒效应造成接收信号的功率谱展宽 就是多普勒频展。尽管发射频率为单频 fs，但接收信号的功率谱S(f)的却 展宽到 fs-fm 到 fs+fm 的范围。这相当于单频信号在通过多途信道时受到 随机调频。
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多普勒频展
在浅海信道中，多普勒频展可以认为是由以下两个截然不同的 因素引起的。
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不同距离多途振幅如下图所示。(a)、(b)和(c)分别为500米、2公里 和5.5公里的数据。总的说来，多途振幅遵从于广义瑞利分布，但在距 离较近(如500米)和较远处（如5.5公里），A/σ较小，趋于瑞利分布。这 里，A为多途振幅，σ为多途迭加噪声的标准差。
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多普勒频展 ➢ 多普勒频展Bd—多途接收信号的频域特性
1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中
难以克服的困难。
2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得浅
海中多途效应比深海严重得多。
3、当通信距离增加到一定程度，将不存在直达路径，此时必须利用多途信
号才能有效的通信。
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水声信道的多径传播模型
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
水声多径信道研究
目录
1 多径的产生及组成
2 水声信道的多途特性
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抗多径技术
4 水声多径信道模型
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1 多径的产生及组成
➢ 多径产生的原因 ➢ 水声信道的多径传播模型 ➢ 多径的组成 ➢ 几种海况下的多径现象
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多径产生的原因
➢界面发射：海洋存在着海面和海底2个界面，声波传输 时会发生反射。 ➢声线弯曲：由于温度、盐度和深度的影响，不同深度 的声速分布不均匀，从而使声波发生折射。 ➢海水中随机分布的杂乱体的散射。
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时延扩展 ➢ 时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性
多途传输造成接收信号在时间轴上的展宽，定义为时延扩展Δ。 水声信道抗多途跳频通信中同步技术的研究时延扩展Δ是对多途信道 时延特性的统计描述，其含义是表示时延谱扩展的程度。所谓时延谱 是由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱。时延谱的时延 特征曲线的均方根值为时延扩展Δ。
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几种海况下的多径现象
➢ 中距离(1~20km)信道 经由中距离信道传播所接收到的信号，其幅度和相位变化比较
严重，多径扩展可达到50ms~1s的量级。对于浅海情况，一般都能 够观察到由海面和海底所引发的多径。实际上，现在的大多数水声 通信系统都是作用在这类有着复杂的多径结构的中距离浅海信道的。 这种复杂的时变多径信道给数据传输的同步和均衡都带来了较大的 困难。